為實(shí)現(xiàn)印制板的阻抗精確設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)阻抗測(cè)試圖形和借助阻抗模擬計(jì)算軟件，用迭代分析反推出介電常數(shù)，然后用介電常數(shù)再計(jì)算出理論阻抗，并將其與實(shí)際阻抗測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：將試驗(yàn)反推得出疊層結(jié)構(gòu)中各不同介質(zhì)的介電常數(shù)用于阻抗設(shè)計(jì)，理論設(shè)計(jì)阻抗值與實(shí)測(cè)阻抗值吻合。

　　引言

　　隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，集成電路的集成度進(jìn)一步提高，高頻信號(hào)以及高速數(shù)字信號(hào)對(duì)傳輸要求越來(lái)越高。印制電路板(PCB)已不僅要求產(chǎn)品的電氣通斷測(cè)試合格，而更關(guān)注產(chǎn)品的特性阻抗能否達(dá)到要求。目前阻抗公差要求已由±15%逐步向±10%、±8%、±5%發(fā)展，對(duì)PCB產(chǎn)品的特性阻抗匹配技術(shù)提出了更高的要求。

　　PCB的阻抗是板上電阻、電容、電感等的矢量綜合，其影響因素一般有介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線厚度4 個(gè)因素，有的阻抗影響因素還包括阻焊厚度、導(dǎo)線間距等。上述影響因素中，介質(zhì)厚度、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線厚度、導(dǎo)線間距、阻焊厚度在前端阻抗設(shè)計(jì)可做調(diào)整，在生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)精確管控。而介電常數(shù)通常由板材廠商提供，是介質(zhì)材料的固有參數(shù)，一旦疊層結(jié)構(gòu)確定，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法再做調(diào)整。此外，該因素容易導(dǎo)致印制板實(shí)際阻抗與設(shè)計(jì)值偏差大，因此需要對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)定。現(xiàn)提出一種反推介電常數(shù)的方法，根據(jù)阻抗實(shí)測(cè)值和實(shí)物切片測(cè)量值，應(yīng)用Polar 公司的CITS25阻抗計(jì)算軟件反推得出介電常數(shù)，阻抗設(shè)計(jì)時(shí)使用該介電常數(shù)可做到更精確的設(shè)計(jì)。

1、介電常數(shù)

　　介電常數(shù)是介電材料在空氣中的電容器電容與在真空狀態(tài)下的電容之比，如式(1)所示。

εr = C/C0(1)

　　式中，εr為介電常數(shù);C為空氣中的電容器電容;C0為真空狀態(tài)下的電容器電容。

　　介電材料在空氣中的電容器電荷分布模型如圖1 所示。當(dāng)介電材料在空氣中的電容器電荷分布越多，電容越大，從式(1)看出，表示介電常數(shù)越大。可見(jiàn)，介電常數(shù)表征的是材料儲(chǔ)存電能能力的大小。當(dāng)其數(shù)值越大時(shí)，它儲(chǔ)存電能能力就越大，而按照式(2)計(jì)算，電路中電信號(hào)的傳輸速度就會(huì)變低。

圖1 空氣中電容器電荷分布模型

　　式中，V 為傳輸速度，K為常數(shù)，c 為光速，εr為介電常數(shù)。

　　介電常數(shù)借助專用儀器直接測(cè)量，測(cè)量方法有平行板法(Parallel Plate)、同軸探頭法(Coaxial Probe)、傳輸線法(Transmission Line)、自由空間法(Free-Space)、諧振腔體法(Resonant Cavity)等。這些測(cè)試方法均采用測(cè)試儀表并配套不同的探針或夾具才能進(jìn)行。

　　印制板廠家通常采用平行板法測(cè)試，板材廠商提供的介電常數(shù)也基本是采用平行板法測(cè)得的。實(shí)際PCB 生產(chǎn)中層壓疊層結(jié)構(gòu)會(huì)用到多種不同介質(zhì)厚度的材料，每種材料介質(zhì)厚度不一樣，樹(shù)脂玻璃布的組成也不一樣，因此介電常數(shù)相差很大。此外生產(chǎn)工藝上不同的疊層結(jié)構(gòu)板面圖形殘銅率不同，導(dǎo)體間填充的樹(shù)脂含量不同等，均導(dǎo)致各層介質(zhì)間的實(shí)際介電常數(shù)差異大，實(shí)際測(cè)量的阻抗值和預(yù)期值相差較大，因此板材廠商提供的介電常數(shù)值往往不能直接用于阻抗設(shè)計(jì)，要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做修正，需要采取間接測(cè)量的方法來(lái)精確界定介電常數(shù)。

4、結(jié)論

　　通過(guò)設(shè)計(jì)阻抗測(cè)試圖形，測(cè)試實(shí)際阻抗值再反推介電常數(shù)的方法，可以得出介質(zhì)材料精確的介電常數(shù)值。將該介電常數(shù)值用于該介質(zhì)材料疊構(gòu)的阻抗設(shè)計(jì)上，可實(shí)現(xiàn)阻抗的精確匹配。